Complementi di idrologia - appunti

Telerilevamento

Il telerilevamento è la scienza che si occupa di acquisire informazioni sulla superficie terrestre senza essere in contatto con essa.

Per questo è diverso dai sistemi di misura tradizionali: un termometro, ad esempio, per misurare la temperatura deve entrare in contatto con il mezzo.

Le informazioni sono acquisite mediante il rilevamento e la registrazione dell'energia riflessa o emessa e processando ed analizzando tali informazioni.

L'energia che viene rilevata può avere due origini: energia emessa dalla stessa Terra o energia esterna che le superfici riflettono.

Data la complessità, il telerilevamento non viene effettuato con un singolo strumento ma con un sistema di sensori costituito da:

1. Fonte di energia (può essere il sole ma anche il satellite sensore)
2. Atmosfera (non è trasparente rispetto alla radiazione per cui è necessario conoscerla in dettaglio)
3. Obiettivo
4. Sensore
5. Trasmissione e processamento
6. Interpretazione e analisi
7. Produzione dei risultati

Dato che il telerilevamento si basa sulla radiazione elettromagnetica emessa o riflessa, è importante fare un riepilogo su alcuni concetti di base.

In generale, un'onda elettromagnetica può essere pensata come sovrapposizione di onde piane sinusoidali caratterizzata ciascuna da una lunghezza d'onda "λ" e da una frequenza "f".

Se il mezzo di propagazione è il vuoto, allora la frequenza è legata alla lunghezza d'onda tramite la velocità della luce nel vuoto (3·10⁸ m/s) dalla relazione: λ = c/f

Insieme, tutte le lunghezze d'onda (analogamente l'insieme di tutte le frequenze) costituisce lo spettro elettromagnetico.

È importante ricordare che tra la frequenza di un'onda e l'energia trasportata esiste una proporzionalità diretta: maggiore è la frequenza, maggiore risulta l'energia trasportata.

Ciò è espresso dalla legge di Planck E=h·f, essendo "E" l'energia ed "h" la costante di Planck.

alcune delle lunghezze d’onda dello spettro elettromagnetico.

Le onde radio sono caratterizzate da lunghezze d’onda tra 1_mm e 100_km e tra esse rientrano le microonde che sono utilizzate nel telerilevamento sia attivo che passivo.

Alle destra delle microonde rientra nella zona dell’infrarosso suddivisa in infrarosso estremo, lontano, medio e vicino che copre lunghezze da 0,75_μm a 500_μm e dunque nella zona del visibile ovvero le lunghezze d’onda percepibili dall’occhio umano, proseguendo verso lunghezze d’onda minori si incontrano le zone relative all’ultravioletto raggi X ed infine i raggi gamma.

Nel telerilevamento in generale vengono utilizzate due regioni spettrali: quella “ottica”, ovvero tutte le visibili e dell’infrarosso e quelle delle microonde.

Il telerilevamento nella regione dell’”ottico” all’infrarosso vicino si basa sulla misura della radiazione solare, diffusa dagli oggetti: dato che il sole ha una temperatura elevata, l’energia misurata è molta e ciò permette di ottenere immagini ad alta risoluzione.

Nella regione dell’infrarosso medio (detto anche infrarosso termico), invece, l’”ottico” all’infrarosso vicino si basa sulla misura dell’energia emessa da corpi per effetto termico e ciò se da un lato permette di fornire una misura della temperatura superficiale dei corpi stessi, dall’altro porta ad ottenere immagini di qualità inferiore (i corpi sono più freddi del sole): dunque la quantità di energia da misurare e inferiore.

Ricordato infatti che il potere emissivo di un corpo ∅ misura l’energia emessa per unità di campio di superficie è legato alla temperatura dei corpo T tramite la costante di Stefan-Boltzmann Φ° e l’emissività E (varia tra 0 e 1) come definita delle legge di Stefan-Boltzmann: Q=ΦET⁴.

Per quanto riguarda il telerilevamento nel campo delle microonde, la sorgente di energia è rappresentata dal Radar (Radio detection and ranging) che emette radiazioni nel campo delle microonde esiste anche il telerilevamento a microonde passivo.

Dunque un radar emette radiazioni elettromagnetiche e legge la quantità di energia di ritorno; è necessario dunque un emettitore ed un ricevitore.

I vantaggi principali del telerilevamento a microonde riguardano la possibilità d’osservare la Terra e di giungere che di notte ed inoltre la capacità di acquisire immagini anche quando il cielo è coperto da nuvole o ad esempio della cenere di un vulcano.

Infine la caratteristica più importante di questa tecnica e che permette di misurare piccolissime deformazioni del suolo anche nell’ordine del centimetro, e di seguire l’evoluzione temporale della deformazione.

Nel telerilevamento è di fondamentale importanza Tenere in considerazione l’interazione delle radiazioni con l’atmosfera

di conseguenza l'atmosfera risulta sostanzialmente trasparente alle microonde le quali

ci attraversano senza venire assorbite.

Ciò comporta la possibilità di eseguire il telerilevamento sia di giorno che di notte ed

in ogni condizione atmosferica.

Anche il telerilevamento a microonde può essere effettuato con sensori attivi e passivi.

• Telerilevamento a microonde passivo: tutti gli oggetti emettono energia nella regione
• delle microonde anche se di entità limitata.
• Un sensore a microonde passivo rivela proprio l'energia emessa naturalmente dai corpi/
• superficie, tale energia è correlata alle temperatura ed alle proprietà di umidità
• dei corpi/superfici stesse.

Ovviamente l'energia rilevata può essere emessa dall'atmosfera, riflessa dalla superficie

o emessa dalla superficie ed inoltre, dato che la lunghezza d'onda delle microonde è

grande e dunque l'energia disponibile è piccola rispetto alle zone ottiche, le fascie

di visibilità deve essere ampia in modo da rilevare abbastanza energia per registrare

il segnale (la risoluzione è comunque scarsa).

• Telerilevamento a microonde attivo: in questo caso è il sensore stesso che emette la
• radiazione a microonde verso il trarget.
• I sensori a microonde attivi si dividono a loro volta in due categorie: sensori imaging
• e non imaging.
• Il sensore imaging più comune è il Radar (Radio Detection and Ranging) che
• invia un segnale a microonde radio verso l'obbiettivo e rileva il segnale retro-diffuso
• la forza del segnole retro-diffuso è misurata per distinguere oggetti differenti ed
• il tempo di ritorno tra il segnale trasmesso e riflesso determina le distanza dell'obbiettivo.
• I sensori non-imaging più comuni sono invece l'altimetro e lo scatterometro.
• L'altimetro è uno strumento che invia piccoli impulsi microsonde e misura il tempo di
• intervallo affinché il segnale colpisca il target e torni indietro al fine di determinare
• le distanza del sensore stesso.

In generale gli altimetri sono utilizzati appunto per misurare l'elevazione a patto che

si accidentamento sotto l'alteza delle piattaforme dell'altimetro.

Lo scatterometro è invece utilizzato per quantificare l'energia retro-diffusa (back scattered)

dall'obbiettivo.

Ovviamente l'energia retro-diffusa è legata alla scabrosità delle superfici ed all'angolo

con il qualo le microonde colpiscono l'oggetto.

Cerchiamo di analizzare in modo più dettagliato il radar.

L'altimetro emette degli impulsi nel campo delle microonde

(A) che sono convogliati dall'antenna in un fascio (B).

Il fascio radar illumina le superficie obiquamente rispetto

Detto relativamente e a questo punto analizziamo i termini e.

Entrambi tali termini sono esprimibili a partire dalle leggi di Fick.

Il flusso di calore sensibile (ovvero quello legato ai fenomeni convettivi e

conduttivi) è esprimibile come:

Il flusso di calore latente di evaporazione invece è

esprimibile:

i termini e sono coefficienti di diffusione turbolenta per il

calore e in generale

Per applicare le relazioni definite in precedenza dovrà quindi conoscersi sia

i gradiente verticale di temperatura ed umidità sia almeno uno tra

coefficiente di diffusione del calore (difficile da ricavare perché dovrei avere

un primo conoscenza dello strato limite).

Per risolvere tali problematiche nell'applicazione diretta di tali relazioni, si fanno

le seguenti ipotesi di lavoro:

• si assume la conoscenza di misure meteorologiche standard (temperature, umidità,
• pressione, velocità del vento) ad una quota di riferimento (in genere 2-3 m);
• si assume valida la relazione
• si assume che i gradienti siano valutabili indipendentemente da

Quest'ultima ipotesi permette di esprimere i gradienti nella seguente modalità:

Ricapitolando al momento abbiamo cinque incognite sono le equazioni (le legge di flick e l'equazione del bilancio energetico), per cui

sono necessarie due ipotesi aggiuntive:

• si assume che lo strato di area a contatto diretto con la superficie sia saturo, per
• cui e = (T).

Questa condizione si definisce condizione di evapotraspirazione potenziale ed è

verificata solo quando l'acqua è a contatto con una superficie liquida.

validità del principio di simbilitudine ovvero similitudine tra lo scambio turbolento

di calore e in quantità di moto.

Questa in effetti è importante infatti, per conoscere il gradiente di temperature e

dover conoscere anche valori di temperature mentre per il gradiente di velocità

nella ipotesi di validità del principio di aderenza mi basta uno (velocità al alto);

Questa ipotesi ConSente di ottenere una misura del coefficiente di scambio termico

turbolento a partire da una misura sul vento.

Dunque il flusso di quantità di moto risulta

Il profilo di velocità nello strato limite turbolento è esprimibile dalla relazione

in cui è la costante di Von Karman e dipende dalla scabrezza della superficie,

Sostituendo U' delle seconda relazione nella prima si ottiene: